[发明专利]储能复合粒子、电池负极材料以及电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种储能复合粒子，且尤其涉及一种具有新颖结构的储能复合粒子，能储存高电容量且具有良好的体积膨胀/收缩特性。

背景技术

锂电池已大量应用于笔记型计算机、行动电话、数字相机、摄影机、PDA、蓝牙耳机和无线3C用品等。

现有的商品化锂电池的负极材料主要是以碳粉材料为主，例如：采用中间相碳微球(Mesocarbon Microbeads，MCMB)与人工石墨，其克电容量(capacity)分别为MCMB(310mAh/g)、人工石墨(350mAh/g)。然而，以碳为主体的负极材料已经达到理论电容量372mAh/g的瓶颈，无法符合未来高功率以及高能量密度锂电池的需求。

承上述，高电容量负极材料是高能量锂电池的关键材料。有研究者提出硅基(Silica-based)负极材料以得到高克电容量(3,800mAh/g)。然而，硅基负极材料具有高不可逆容量的特性，且硅基负极材料在充电后会产生400％的体积膨胀。

更详细而言，在锂电池的充放电过程中，会因为锂离子嵌入/嵌出硅基负极材料，而使硅基负极材料发生材料膨胀及收缩，如此，会导致硅基负极材料碎裂，使得内部阻抗增加，而降低锂电池的使用性。

发明内容

本发明提供一种储能复合粒子，具有新颖的结构，具有高电容量以及良好的体积膨胀/收缩特性。

本发明提供一种电池负极材料以及电池，使用了上述的储能复合粒子，而具有良好的高克电容量(high capacity)、高库伦效率(high coulombefficiency)以及长循环寿命。

本发明提出一种储能复合粒子，包括：碳膜、导电碳材、储能颗粒以及导电碳须。碳膜围绕出一空间。导电碳材与储能颗粒设置于该空间内。导电碳须电性连接导电碳材、储能颗粒与碳膜，且导电碳须从空间内延伸到空间外。

在本发明的一实施例中，上述的储能颗粒是选自于纳米硅基颗粒、纳米异质复合颗粒及其组合。

在本发明的一实施例中，上述的纳米异质复合颗粒的材料是选自于Mg、Ca、Cu、Sn、Ag、Al、SiC、SiO、TiO₂、ZnO、Si-Fe-P、Si-P、Si-Fe、Si-Cu、Si-Al、Si-Ni、Si-Ti、Si-Co及其组合。

在本发明的一实施例中，上述的储能颗粒选用纳米硅基颗粒以及纳米异质复合颗粒，且纳米异质复合颗粒相对于纳米硅基颗粒的重量百分比为0.1～5.0wt％。

在本发明的一实施例中，上述的储能颗粒相对于储能复合粒子的重量百分比为10～50wt％。

在本发明的一实施例中，上述的导电碳材相对于储能复合粒子的重量百分比为50～80wt％。

在本发明的一实施例中，上述的储能复合粒子更包括一导电基质，设置于空间内。

在本发明的一实施例中，上述的导电基质的材料是选自于碳材、金属、有机材料、无机材料及其组合。

在本发明的一实施例中，上述的导电基质相对于储能复合粒子的重量百分比为5～10wt％。

在本发明的一实施例中，上述的碳膜的材质包括：沥青的碳化物、或树脂的碳化物。

在本发明的一实施例中，该储能复合粒子的表面积为6～15m²/g。

在本发明的一实施例中，上述的储能复合粒子更包括：多数个孔隙，设置于导电基质内。

在本发明的一实施例中，上述的孔隙的尺寸介于1nm～1000nm。

本发明再提出一种电池负极材料，包括：上述的储能复合粒子、导电碳以及黏着剂；其中，储能复合粒子、导电碳与黏着剂的重量组成比例为75∶15∶10。

在本发明的一实施例中，上述的粘着剂包括：水性丙烯酸酯。

本发明又提出一种电池，包括：负极极板、正极极板以及离子导电层。负极极板上设置有上述的电池负极材料。正极极板对应于负极极板而设置。离子导电层电性连接负极极板与正极极板。

在本发明的一实施例中，上述的正极极板的材料包括：锂。

基于上述，本发明的储能复合粒子采用碳膜包覆导电碳材、储能颗粒的新颖结构。由于在储能复合粒子内具有足够的空间与孔隙，可提供给储能颗粒因充电过程所产生体积膨胀的缓冲，而能防止储能复合粒子产生碎裂。再者，导电碳材、导电碳须与导电基质可形成三维导电网络，提供良好的电子传输的路径。因此，储能复合粒子可同时具有长循环寿命及高克电容量的优点。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。